相变蓄热恒温取暖器.pdf

本发明属利用相变材料来蓄热、放热的取暖器。
    目前的普通热水袋、烫婆子等取暖器，以水为蓄热物质，为获得较长的取暖时间，需灌入滚烫的开水，开始时因温度太高，取暖并不舒服;又由于热容量小，冷却较快，能维持在舒适取暖温度范围的时间很短。近有一种电热碟形取暖器，以金属块作贮热物质，因也是显热贮热，故无法长时间保持在舒适温度下取暖，且初温一般较高，容易烫伤人肤或烤黄被褥。

    本发明的目的是克服现有取暖器的上述缺点，提供一种可长时间保持在舒适温度下取暖的恒温取暖器。

    本发明相变蓄热式恒温取暖器，是在导热容器内充填相变蓄热物质构成，所述蓄热物质为具有所需相变温度及较大相变潜热的相变材料。利用相变蓄热物质在相变过程中温度维持不变，且伴随有较大相变潜热的特性，来达到在舒适温度下长时间恒温取暖的目的。

    所述相变材料的选取，以相变潜热较大、且在其相变温度下取暖器外壁温度使人体感到舒适为宜。一般用于人体取暖时，可选取相变温度为50-65℃的相变物质。当外壳采用导热系数较大的材料，如金属、陶瓷、玻璃时，可选择相变温度较低的相变材料;当外壳采用导热系数较小的材料，如橡胶、塑料时，可选择相变温度较高的材料，以下列举的是一些可供选用的相变材料配方：

    配方 相变温度T_f(℃) 组成 重量百分比

    配方1 51 六水硝酸镁Mg(NO₃)₂·6H₂O 60-80

    硝酸铵NH₄NO₃20-40

    配方2    56    铵矾Ammonium  alum    30-50

    硝酸铵NH₄NO₃45-50

    活性白土    4-10

    配方3 59.1 六水硝酸镁Mg(NO₃)₂·6H₂O 50-60

    六水氯化镁MgCl₂·6H₂O 35-45

    八水氢氧化钡 Ba(OH)₂·8H₂O 0.5-5

    配方4 61 六水硝酸镁Mg(NO₃)₂·6H₂O 35-45

    九水硝酸铝Al(NO₃)₃·9H₂O 55-65

    所选相变蓄热材料的相变潜热越大，其单位质量的贮热量越大，可获得的恒温取暖时间就越长。这样，在同等取暖效果下，可把取暖器做得轻一些。一般选用相变潜热大于120千焦/公斤的材料。

    所选相变蓄热材料的导热系数越大，热传递越快，温度越均匀。一般选用导热系数大于0.3W/m²·K的相变蓄热材料。

    尽量选择与所用相变蓄热材料不发生化学作用的材料制作导热容器，例如可选用橡胶、塑料、耐腐蚀金属、玻璃钢等;还可在容器内壁涂上防腐蚀涂料。容器材料最好具有一定的伸缩性或弹性，还可在容器内壁与相变材料之间衬垫一层具有较好伸缩性能、且不易腐蚀的材料，如橡胶、泡沫塑料等，既可以防腐蚀，又可以防相变过程中因相变材料体积变化应力造成外壳破裂损坏。

    充入相变材料后，可采用外壳整体全封闭的密封方式;也可设置孔塞作活动式封闭;还可在孔塞外加套保险旋盖进一步密封，以防塞子在取暖过程中与外物摩擦触碰造成松动、损坏而引起渗漏。

    本发明恒温取暖器，可采用外热源加热方式，放在灶台上、炉灶或热水中加热后使用;也可采用内热源加热方式，在容器内设置电加热器，或设置存放热水或其它作为热源介质（如油、砂子）的内容器来加热蓄热物质。

    外热源加热式取暖器的导热容器宜采用导热系数较大的材料来制作，如金属、合金等，以利于外热源对它加热时将热量迅速传递到内部的相变蓄热物质中去。为了使热量传递迅速、均匀，还可在导热容器的内壁设置扩展传热片。

    取暖器的形状和大小，可根据携带使用方便及所需取暖时间的长短来设计。例如，设计成一个香烟盒大小的扁薄长方体金属盒取暖器或扁薄椭园形橡胶取暖手袋，可方便地放在外衣内袋中随身携带，取暖时间可维持一、二个小时;设计成普通教科书形状、大小的长方体取暖器，可维持取暖时间三、四个小时，适合于学生放在书包内带到教室、或干部上班带到办公室使用;体积较大的取暖袋、取暖壶，可维持取暖时间八、九个小时，适合夜间家庭取暖使用。

    以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

    附图1是一种电热式相变蓄热恒温取暖器结构示意图;

    附图2是一种外热源加热式恒温取暖器结构示意图;

    附图3是一种电热式恒温热袋结构示意图;

    附图4是本发明恒温热袋与普通热水袋温降曲线比较图;

    附图5是一种内热式恒温取暖壶结构示意图。

    实施例1如附图1所示，是一种便携式电热式相变蓄热恒温取暖器，它由导热外壳1、相变蓄热材料2和电加热器3构成。导热外壳1用白铁皮做成长8.5厘米、宽5.5厘米、厚2厘米的长方体，内充满上列配方2的相变蓄热材料2，其成份及重量配比为铵矾47.5%，硝酸铵47.5%，活性白土5%;电加热器3采用功率为200W的电热丝4，穿在弯成U形的金属管5内，（本例采用铝合金管），电热丝4与铝合金管5之间用耐热绝缘材料6隔开以免漏电，所述耐热绝缘材料6为氧化镁粉末，电加热器3安放在相变蓄热材料2中间部位，其两端通过接头块7固定在外壳上;电热丝4的两端分别与接头块7上的两个电源插孔8相连接。白铁皮外壳1的内壁和铝合金管5的外壁以耐热绝缘材料作为防腐涂层9覆盖，以防与相变物质2直接接触而发生化学腐蚀。所述耐热绝缘材料配方及重量比为：钾水玻璃52.7%，硅溶胶21.7%，水23.7%甲基三甲基硅烷1.9%;为及时了解是否已加热到相变温度，在取暖器外表面贴有定温显色膜10。

    使用前，将电热丝接通电源，加热，使相变物质升温到逐渐熔化，当定温显色膜显色时，表示相变物质温度已略高于相变温度56℃，此时相变物质已完全熔化，拔下电源，即可用来取暖。当取暖一定时间后，取暖器温度不能满足舒适时，可再插上电源加热。如此可反复使用。这种取暖器小巧灵珑，可装在外衣内袋内，便于携带，取暖方便，加热一次后，放入保暖套内，一般可取暖二个小时以上。

    实施例2，如附图2所示，是一种外热源加热式取暖器。可用铝合金做成长18厘米、宽13厘米、高2厘米的长方体导热外壳1，内充满如上述配方4的相变蓄热材料2，其成分及重量配比为：（六水硝酸镁43.5%，九水硝酸铝56.5%。在容器内壁的某些部位均匀配置数个齿形扩展传热片11，其作用是：当加热时，导热外壳1从外热源吸收的热，可通过扩展传热片11迅速向相变蓄热材料2传递扩散;而当取暖时，可将相变材料的蓄热迅速传至容器表面，促使取暖器整体较快地达到热平衡。为防止导热外壳1及扩展传热片11与相变蓄热材料2直接接触发生化学腐蚀，在导热外壳的内壁和扩展传热片11的表面涂覆防腐隔离层9，本实施例采用如实施例1所述的耐热绝缘材料作为防腐涂层9。这种取暖器可放在炉火上直接加热，或放在灶台上利用余热加热，也可放在热水中加热，当加热到相变材料熔为液态，温度略高于61℃时，取出，将表面擦干净，即可用来取暖。由于本取暖器形状大小与普通教科书相仿，比较适合放在书包内携带，可供学生带到教室或机关干部带到办公室取暖使用。当放在帆布包内，在环境温度为14℃时，从61℃降到44℃的取暖时间可达4个小时。

    实施例3，如附图3所示，是一种外形如普通热水袋的电热式恒温热袋。其中甲为正视图，乙为侧视图。

    本实施例导热外壳1采用橡胶做成热水袋形状，内装800克上述配方1的相变蓄热材料2，其成份和重量比为：六水硝酸镁62.5%，硝酸铵37.5%。电加热器3由功率为500W的电热丝4，外覆耐热电绝缘材料6，穿在U形金属管5内构成，本例耐热电绝缘材料6采用氧化镁（MgO）粉末，金属管5采用镀镍铜管，在金属管5外壁再涂一层防腐涂料9，本例采用水玻璃（硅橡胶704）。将电加热器3通过接头块7与导热外壳1固定连结，且保持其处于相变蓄热材料2中的中间部位，以利于向相变材料均匀地传热散热。电热丝4两端与电源接头13相连接，以塞盖12将充料孔14密封。在塞盖12之外可加套外盖15，以防止外物与电源接头13碰触造成塞盖12松动或损坏电源接头13，同时亦可防止电源接头13挂破衣被或擦伤皮肤;外盖15的外表面呈园弧形曲面并与取暖器整体平滑联接，既可使取暖时接触人体感觉平滑舒适，同时也增加美感和整体感。

    使用前，将连接电热丝4的电源接头13，接到220伏电源上，加热8分钟后，相变蓄热材料的温度略高于56℃，已全部融化，切断电源，取下，即可取暖使用。

    为对比测试其取暖保温性能，将两个同样大小的橡胶热水袋，一个做成上述本发明电热式恒温热袋，通电加热到初温为56℃;另一个充初温为88℃的热水800克，在环境温度为15℃条件下，测定二者温度随时间变化的曲线，如图4所示，其中曲线a为普通热水袋的温降曲线。曲线b为本发明电热式恒温热袋的温降曲线。

    将测试结果和温降曲线分析对比可知，电热式恒温热袋从56℃降温至42℃持续时间为5小时30分钟，其中保持在52℃至45℃温度范围的时间为4小时;而普通热水袋从88℃降温至42℃持续时间为3小时20分钟，比本发明电热式恒温热袋少2小时10分钟;其中保持在52℃至45℃温度范围的时间仅为42分钟。即本发明恒温热袋保持在舒适取暖温度范围的时间约为普通热水袋的6倍。

    若用500W电热丝将800克水从15℃加热至88℃，约需9分钟，即普通热水袋在比本发明恒温热袋维持取暖时间短的情况下，消耗的能量仍比本发明相变蓄热取暖器要多。

    由以上实施例对比可知，本发明取暖器比普通取暖器取暖效果好得多，不仅保持在舒适取暖温度的时间长，而且还节省能源。

    为便于控制电热式恒温取暖器地通电加热时间，可在电热电路中设置自动限温断电保护装置和/或提醒装置。所述自动限温断电装置可以是一双金属片限温断开装置，也可以采用自动限温PTC材料-一种电阻随温度升高而增大，至某一限定温度（居里点）时电阻趋于无穷大的高分子材料。所述提醒装置，可在外表面贴定温显色膜，或采用定温蜂鸣器、音乐片来指示加热结束时间。

    实施例4是一种内热式恒温取暖器。如附图5所示，为外观近似球形的取暖壶。导热外壳1和内热容器16均采用不锈钢制作，其间的空间装入相变蓄热材料2，内热容器16用于装热源介质17，如热水、热油或热砂子。内盖18用于封闭内热容器16的孔19，外盖15的作用已如上例所述。外盖15和内盖18边缘可使用橡皮密封垫圈20，以增加封闭效果，避免渗漏。在内容器16的外壁、导热外壳1的内壁可衬垫一层橡胶层21，一方面可避免不锈钢容器表面与相变蓄热材料直接接触时间长了引起化学作用，同时也可预防相变材料体积变化应力对容器器壁作用。

    使用前，通过孔19向内热容器17中充满高温热水，或热油，或热砂子，用内盖18将孔19封闭数分钟，待热水将热量传给相变蓄热材料2，把水倒掉，再充入高温热水，几分钟后，即可用于取暖。若想减轻取暖器的重量，也可将水倒掉后再用来取暖。

    本实施例中，若相变蓄热材料2采用700克配方1，其成份及重量比为：六水硝酸镁62.5%，硝酸铵37.5%，内热容器16中使用热水，将此取暖壶加热到56℃后，放入被褥中，在室温14℃时，可保持在56℃至45℃达8小时。

    本发明相变蓄热式恒温取暖器，克服了现有取暖器初始过烫，冷却快，保持舒适温度时间短，不能在舒适温度下恒温取暖等缺点，具有安全、方便、可长时间在舒适温度下恒温取暖、节省能源等优点，老少咸宜，为各种不同类型取暖提供了可供选择的方式，为人们提供了一类新的取暖用具，方便了人们的工作和生活，具有良好的社会效益和市场前景。